微区 XPS 在摩擦学研究与抗磨材料开发中的应用

摩擦副之间的相对运动必然会产生摩擦和磨损，全球约 80%的机械零件失效都是由摩擦 磨损造成的。此外，地球上每年近三分之一的一次能源消耗被用来克服各种系统和设备的摩 擦，这不仅造成了大量的能量损失，而且限制了能源效率的优化。因此，系统深入地研究材 料摩擦过程中在表面、界面所发生的化学反应，从微观或分子、原子水平上认识材料有效和 失效的机理，继而指导设计制备具有优异摩擦学特性的材料，对于节约能源、提高机械装置 使用寿命以及减少环境污染具有重要意义。XPS 作为表面化学分析最有效的技术之一，在摩 擦学领域应用广泛。然而，摩擦后形成的磨痕、磨斑和磨屑等特征往往尺寸较小（微米量级）， 受限于普通 XPS 的空间分辨能力，导致对此类具有微区特征样品的表征存在挑战。

中国科学院兰州化学物理研究所的王齐华研究团队致力于复合材料摩擦学、空间环境材 料失效行为和机理研究以及苛刻条件下的润滑材料和密封技术的研究。其研究团队在研究聚 酰亚胺-MoS 2 复合材料真空转移膜的形成机理的过程中，利用 ULVAC-PHI 的扫描微聚焦型 XPS（PHI 5000 VesaProbe III），成功地对不同摩擦阶段转移膜的微区化学成分和形貌进行 了全面表征，揭示了转移膜的形成与磨屑堆积之间的关系。

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图 1. 跑合（磨合）阶段的磨痕(a1)和磨斑(a2)的微区 SXI 图像定位和微区 XPS 表征[1]

图 2.稳定磨损阶段的磨痕(a1)和磨斑(a2)的微区 SXI 图像定位和微区 XPS 表征[1]

图 1 和图 2 展示了跑合（磨合）阶段和稳定磨损阶段分别产生了磨痕和磨斑的形貌， 并通过微区 SXI 影像对磨痕和磨斑的位置进行了精准定位，再利用微区 XPS 表征了相应位点 （红圈）的元素组成和化学态。XPS 结果表明在磨损的每个阶段，磨斑上元素的化学态都存 在明显差异。此外，通过 XPS mapping 直观地显示了陡降阶段磨痕表面 Mo (a)和 Fe (b)的弥 散情况。研究发现含 MoS 2 颗粒的磨屑会被拖入摩擦界面形成二次转移，表明磨痕附近磨屑 的堆积是影响运行阶段持续时间的关键因素，也是产生“条纹”状转移膜的原因。

相关研究成果以“ In-situ research on formation mechanisms of transfer films of a Polyimide-MoS2 composite in vacuum” 为题发表在 摩擦学 领域的 顶级期刊 《 Tribology International》上。

技术讲解：微区分析导航定位利器 SXI 影像 SXI（Scanning X-Ray induced secondary electron imaging，X 射线激发的二次电子影像）： 微聚焦扫描 X 射线束类似扫描电镜 SEM 中的电子束，可以在样品表面进行扫描而样品不需 要移动，因此 X 射线扫描区域产生的二次电子，经能量分析器收集，可以获得样品表面的 二次电子分布，从而表征样品表面形貌特征。由于仪器中的二次电子和光电子来自于设备中 的同一光路，SXI 影像的定位具有零误差，这是外置相机所不能实现的。

XPS 微区分析找到分析位置，进行精确定位，这是微区分析的必备条件，否则定位差之 毫厘，结果就会谬以千里。SXI 影像不仅可以获得样品表面的二次电子影像分布，识别出感 兴趣区域，而且 SXI 影像也是微区分析的导航利器，通过 SXI 影像可以精准定义微区点分析， 多点分析，线分析和面分析，精确获得元素和化学态的空间分布。

SXI 在样品导航上的优势以及高灵敏度的小面积 XPS 采谱能力对 PHI XPS 的应用产生了 深远的影响，尤其在表征材料表面的污渍、起泡、缺陷、腐蚀、磨痕以及粘附等微小特征区 域方面优势明显，极大提高了微区分析定性和定量分析的准确性。

总结 SXI 技术特点：

1. 扫描微聚焦 X 射线激发的二次电子影像（SXI）可获取样品表面的二次电子分布；

2. 可观察到光学系统很难探测的表面污染以及形貌特征等；

3. 与采谱同源，同光路，同探测器，可保证对分析点零误差精准定位； 4. 通过 SXI 定位，可准确进行元素和化学态的空间分布测试，即 XPS mapping。

参考文献 [1] H. Hu ， et al. In-situ research on formation mechanisms of transfer films of a Polyimide-MoS2 composite in vacuum. Tribology International 180 (2023) 108211. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108211.